JP5357962B2 - 溶融スラグ熱回収装置 - Google Patents
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Description
本発明は、高炉溶融スラグから熱を回収する溶融スラグ熱回収装置に関する。
従来、伝熱管を用いて溶融スラグから直接熱回収しようとすると、伝熱管上にスラグが固化して塊を生じるため、連続的な熱回収は不可能であった。これに対して、従来、いったんスラグを空気又は水スプレーで冷却固化させてから固化温度以下で熱回収する方法（例えば特許文献１及び特許文献２）が提案されている。しかし、これらの方法では、高温スラグの持つエクセルギーが有効活用できないという欠点がある。
また、溶融スラグに空気などのガスを吹き付けて高温のガスとする方法（例えば特許文献３）、あるいは溶融スラグに冷水又は温水を混合させて蒸気を発生させ、この高温ガスあるいは蒸気から熱を回収する方法（例えば特許文献４）などが提案されているが、ガスや伝熱管との間の伝熱係数が小さいため、熱回収装置が大型になるという欠点を有していた。
そこで、本発明は、上記問題点を解決し、構造簡易にして、熱回収効率の高い溶融スラグ熱回収装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、固化スラグを粉砕した流動媒体を流動化した流動層と、この流動層に溶融スラグを供給する溶融スラグ供給手段と、前記流動層から熱を回収する熱交換器と、前記流動層内で前記溶融スラグが固化した固化スラグを回収する固化スラグ回収装置とを備えるものである。
また、本発明は、前記溶融スラグを前記流動層に滴下するものである。
さらに、本発明は、前記固化スラグ回収装置により回収した前記固化スラグを粉砕する粉砕装置を備えるものである。
さらにまた、前記粉砕装置を用いて粉砕したのち前記流動層に返送する循環装置を備えるものである。
さらにまた、前記粉砕装置を用いて粉砕したのち前記流動層に返送する循環装置を備えるものである。
さらにまた、本発明は、前記流動媒体の一部を抜き取る流動媒体抜き出し装置を備えるものである。
上記構成によれば、流動層に供給した溶融スラグが固化し、そのときに発生する熱を流動媒体を通じて伝熱管に伝え、伝熱管と流動媒体間の伝熱係数は、ガスと伝熱管間の伝熱係数の１０倍程度であるから、同じ熱回収量に対する伝熱面積を小さくでき、熱回収効率に優れるとともに装置を小型化できる。
また、滴下した溶融スラグが所定の大きさの塊として流動層内に供給され、この後、流動媒体の一部を取り込み固化スラグを形成する。
さらに、固化スラグを粉砕した後循環装置を経由して流動層内へ流動媒体を返送することで、流動媒体の量を略一定に維持することができる。
さらにまた、流動媒体は高温で長時間流動層内に存在しているので、熱処理を受けたものとなり、その流動媒体の一部を流動媒体抜き出し装置を経由して抜き出し、骨材などの製品として利用できる。
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。実施例では、従来とは異なる新規な溶融スラグ熱回収装置を採用することにより、従来にない溶融スラグからの熱回収が達成でき、その溶融スラグ熱回収装置について記述する。
以下、本発明の実施例１について、図１〜図４を参照して説明する。図１に示すように、溶融スラグ熱回収装置１は装置本体２を備え、この装置本体２内に流動層３が設けられ、この流動層３の上部に、溶融スラグ供給手段たるスラグ溜め４を設け、このスラグ溜め４の下部に前記装置本体２に連通する連通路５を設け、この連通路５内に前記スラグ溜め４の下部に連結したスラグ滴下ノズル６を設けている。このスラグ滴下ノズル６には、高速の空気又は窒素を吹き込む吹込み口６Ａが設けられている。
前記装置本体２には、前記流動層３内の上部に伝熱管７を配置し、この伝熱管７の下方に前記装置本体２の側板２Ａを斜めに形成した底部分散板８を設け、この底部分散板８にはガスノズル９を設け、流動層３内に流動ガスを供給する。また、前記底部分散板８の下部に連続する側板２Ｂの部分には、流動層３内に流動ガスを供給するエアレーションノズル10が設けられており、それらガスノズル９，エアレーションノズル10が流動化ガス供給手段である。尚、流動層３は、底部分散板８位置より下部の側板２Ｂで囲まれた部分が上部より断面が小さく形成されている。側板２Ｂで囲まれた部分のガス線速度は、底部分散板８の上でのガス線速度より高くなるように運転される。
前記側板２Ｂに、熱交換器11を設け、この熱交換器11には冷却水供給手段12が接続され、側板２Ｂで囲まれた部分の内部を下向きに流れる固化スラグならびに流動媒体は冷却される。このとき、熱交換器11で固化スラグならびに流動媒体により加熱された冷却水は、水蒸気あるいは温水となって回収路13から外部に回収される。
また、前記装置本体２の上部には排ガス煙道14が設けられ、この排ガス煙道14は前記流動層３より上方に位置し、該排ガス煙道14内に伝熱管15が設けられている。尚、熱交換器である伝熱管７は、流動層３内において流動媒体32に接触し、また、伝熱管15は、排ガス煙道14において排ガスと接触し、それぞれ流動媒体と排ガスから熱を回収する。伝熱管７，15に、熱媒体である冷却水あるいは水蒸気が送られ、過熱水蒸気あるいは飽和水蒸気あるいは温水となって外部に回収される。
前記流動層３の下部で、前記装置本体２内の底部には、コンベヤなどの固化スラグ抜き出し装置16が設けられ、この固化スラグ抜き出し装置16は流動媒体を含む固化スラグを排出口17から外部に排出する。この排出口17から排出された固化スラグを粉砕する粉砕手段たる粉砕機18を設け、この粉砕機18で粉砕された粉砕スラグの一部を循環装置19により、流動媒体供給口20から装置本体２内に返送し、前記粉砕スラグ粒子が流動媒体となる。尚、前記流動媒体供給口20は前記流動層３の流動媒体層上部表面の上方に位置する。また、返送した以外の残りの粉砕スラグは製品35となる。
また、流動層３の流動媒体層上部表面より下方には、流動媒体32の一部を抜き取る流動媒体抜き出し装置21を接続し、抜き出した流動媒体が製品３６となる。
次に、前記回収装置１の動作について説明する。流動層３の上部に設置したスラグ溜め４から溶融スラグ滴31を流動層３に滴下する。この場合、溶融スラグ滴31を所定間隔で連続的に滴下供給する。流動層３は、粒子径が０．１mm〜３mmの粉砕スラグ粒子からなる流動媒体32を、流動化開始速度の２倍〜２０倍の範囲のガス速度で空気或いは窒素を用いて流動化したものである。流動媒体32の流動化に用いるガスはガスノズル９とエアレーションノズル10から供給する。流動層３内では、温度がスラグ融点以下で望ましくは７００〜１０００°Ｃの温度範囲に維持されており、滴下されたスラグは周囲の流動媒体32を一部に取り込みつつ固化物33を形成し、最終的には周囲の流動媒体32に熱を奪われて完全冷却固化した固化スラグ34となる。流動媒体32に伝わった熱は、流動層３内に設定された伝熱管７，15及び熱交換器11に供給した冷却水あるいは水蒸気に伝わり、過熱水蒸気あるいは飽和水蒸気あるいは温水の形態で回収される。
固化スラグ34は周囲の流動媒体32より大きいので流動層３内を沈下し、側板２Ｂに設置された熱交換器11とエアレーションノズル10から吹き込まれたガスにより冷却された後、底部の固化スラグ抜き出し装置16により排出口17から流動層３の外に抜き出される。ここで、固化スラグ34に流動媒体32が取り込まれているので、固化スラグ34の抜き出しと共に流動媒体32は減少するが、固化スラグ34を粉砕機18で粉砕して循環装置19を経由して流動層３内へリサイクルすることで、流動媒体32の量を略一定に維持する。粉砕機18から出た粉砕スラグ粒子で利用されなかった部分は、製品35となる。また、装置本体２内の流動媒体32は高温で長時間流動層３内に存在しているので、熱処理を受けたものとなり、流動媒体32も一部を流動媒体抜き出し装置21を経由して抜き出し、製品36として利用できる。尚、スラグ溜め４を流動層３に滴下する際に、液滴の粒子径を調整するために、高速の空気又は窒素を、吹込み口６Ａからノズル６に吹き込んで液滴サイズを調整することができる。
そして、流動層３では流動媒体32を介して熱の移動ができるので、直接溶融スラグが伝熱管７に付着しなくても、溶融スラグの熱を伝熱管７に移動させることができる。このときの伝熱管７と流動層３の間の伝熱係数は、ガス（気体）と伝熱管７の間の伝熱係数の１０倍程度であるので、同じ熱回収量に対する伝熱面積を１桁小さくでき、そのため装置を小型化できる。また、固化したスラグ34を流動層３内で沈降させることで、選択的且つ連続的に抜き出すことができることを利用したものである。したがって、溶融スラグを投入させて固化させ、そのときに発生する熱を流動した粒子である流動媒体32を通じて伝熱管７に伝えることを特徴とする。本実施例では、高炉溶融スラグの高温が持つエクセルギーを有効利用するため、なるべく高い温度（略６００°Ｃ以上）の水蒸気を回収できることを特徴とする。また、伝熱管７へのスラグの付着がないので、安定した連続操業ができる。流動層３内は８００°Ｃ〜１０００°Ｃの高温に維持でき、固化スラグの熱処理も同時に行うことができる。
本実施例では、固化スラグ34を粉砕した粒子からなる流動媒体32により構成した流動層３を、空気で流動化し、その中に溶融スラグを滴下し、溶融スラグは周囲の粒子を取り込みつつ固化し、そのとき熱を放出するが、その熱は周囲の流動化粒子を通じて層内の伝導管７へ運ばれ、熱回収がなされる。スラグ粗粒は底部に沈降し、冷却され抜き出された後に一部粉砕されて流動層３を構成する流動媒体32となるが、残りは骨材などの製品35として有効利用される。
実験例
１．実験例の方法
本発明で提案する流動層を用いた溶融スラグからの熱回収方式を模擬するために、模擬スラグ（ワックス101）を流動層102に滴下し、溶融ワックス101が固化する際に発生する熱が周囲粒子に理論どおりに移動するかどうか、また、模擬スラグ(ワックス101)が固化する際にどれだけ周囲粒子を取り込むかを検討した。実験装置概略を図２に示す。
実験例
１．実験例の方法
本発明で提案する流動層を用いた溶融スラグからの熱回収方式を模擬するために、模擬スラグ（ワックス101）を流動層102に滴下し、溶融ワックス101が固化する際に発生する熱が周囲粒子に理論どおりに移動するかどうか、また、模擬スラグ(ワックス101)が固化する際にどれだけ周囲粒子を取り込むかを検討した。実験装置概略を図２に示す。
本実験例で使用した装置本体はアクリル製で内径５４mm、高さ３００mmの流動層102を用いた。底部に断熱材としてポリスチレンを貼り、また、壁面断熱のため管を二重管構造とした。流動媒体103として粒子径０．１５mmの石英砂（ＱＳ）を３００ｇ充填した。流動化ガス107として最小流動化速度の５倍である１３．５５l/minの窒素を供給し粒子を流動化した。
溶融スラグを模擬した溶融ワックス（Ｗax）101として１−ヘキサデカノール(セタノール)を用いた。融点は４９°Ｃ、密度は８００kg/m３である。自動滴下装置を用いて流動層102内へは１．５秒に1滴ずつ８０°Ｃの溶融ワックス101を滴下した。液滴直径は約４〜５mmであった。ワックス滴下重量速度はあらかじめ同一の条件で検量を行った。
流動が安定していた間（３００秒まで）で滴下を停止した後、固化したワックス104と石英砂105のかたまりである固化物106と流動媒体103の混合物を流動層102から回収し、２．５０mmのふるいで固化物106を流動媒体103から分離した。その後、固化物106について熱水でワックスを溶融させるとともに溶融ワックス101と石英砂105と水の密度差を用いた浮上沈降分離操作を行い、ワックスと石英砂をそれぞれ乾燥させた後にそれぞれ重量を測定してワックス104が石英砂105を取り込んだ量を測定した。
２．実験例の結果
図３に模擬スラグ（ワックス101）供給開始後の流動層102内の温度の実測値を理論値と比較して示す。理論値は、模擬スラグ（ワックス101）が固化する際に発する熱が石英砂粒子ならびに流動化ガスに完全に移動するとともに、粒子を入れた装置から外部へ伝熱で熱損失することを考慮に入れてある。温度を実測した結果、模擬スラグ(ワックス101)の供給開始後７００秒までは安定した流動が維持されて、温度上昇は理論値とほぼ同じであった。これは、適切な流動が維持できれば、本発明の流動層式熱回収が可能であることを示す。一方、７００秒を越えたところで装置内に固化物106が蓄積して流動不良を起こし、実測された温度上昇が理論からずれるようになった。しかし、固化物蓄積による流動不良は、蓄積した固化スラグを、実施例で示した固化スラグ抜き出し装置16のような適切な手段を用いて抜き出せば回避できると考えられる。
２．実験例の結果
図３に模擬スラグ（ワックス101）供給開始後の流動層102内の温度の実測値を理論値と比較して示す。理論値は、模擬スラグ（ワックス101）が固化する際に発する熱が石英砂粒子ならびに流動化ガスに完全に移動するとともに、粒子を入れた装置から外部へ伝熱で熱損失することを考慮に入れてある。温度を実測した結果、模擬スラグ(ワックス101)の供給開始後７００秒までは安定した流動が維持されて、温度上昇は理論値とほぼ同じであった。これは、適切な流動が維持できれば、本発明の流動層式熱回収が可能であることを示す。一方、７００秒を越えたところで装置内に固化物106が蓄積して流動不良を起こし、実測された温度上昇が理論からずれるようになった。しかし、固化物蓄積による流動不良は、蓄積した固化スラグを、実施例で示した固化スラグ抜き出し装置16のような適切な手段を用いて抜き出せば回避できると考えられる。
図４は模擬スラグ（ワックス101）の供給開始後300秒までに装置内に蓄積した固化物106を取り出し、ワックス101と流動媒体102の石英砂を分離してそれぞれ重量測定し、その結果と模擬スラグ（ワックス101）、石英砂の密度から、模擬スラグ（ワックス101）中に取り込まれた石英砂の体積を計算で求めたものである。模擬スラグ（ワックス101）の滴下速度に依存せず、体積比で砂：模擬スラグ（ワックス101）＝０．４〜０．５：１の割合で取り込まれた。このデータにより、固化物の粉砕・リサイクル量が推定できる。
このように本実施例では、固化スラグを粉砕した流動媒体32を流動化した流動層３と、この流動層３に溶融スラグを供給する溶融スラグ供給手段たるスラグ溜め４と、流動層３から熱を回収する熱交換器たる伝熱管７と、流動層３内で溶融スラグが固化した固化スラグ34を回収する固化スラグ回収装置たる固化スラグ抜き出し装置とを備えるものであり、流動層３に供給した溶融スラグが固化し、そのときに発生する熱を流動媒体32を通じて伝熱管７に伝え、伝熱管７と流動媒体32間の伝熱係数は、ガスと伝熱管間の伝熱係数の１０倍程度であるから、同じ熱回収量に対する伝熱面積を小さくでき、熱回収効率に優れるとともに装置を小型化できる。
また、このように本実施例では、溶融スラグを流動層３に滴下するものであるから、滴下した溶融スラグ滴31が所定の大きさの塊として流動層３内に供給され、この後、流動媒体32の一部を取り込み固化スラグ34を形成する。
さらに、このように本実施例では、固化スラグ回収装置たる固化スラグ抜き出し装置16により回収した固化スラグを粉砕する粉砕手段たる粉砕機18と、この粉砕した固化スラグ粒子を流動層３に返送する循環装置19とを備えるものであるから、循環装置19を経由して流動層３内へ流動触媒32を返送することで、流動媒体32の量を略一定に維持することができる。
さらにまた、このように本実施例では、流動媒体32の一部を抜き取る流動媒体抜き出し装置21を備えるものであるから、流動媒体32の一部は高温で長時間流動層３内に存在しているので、熱処理を受けたものとなり、その流動媒体32の一部を流動媒体抜き出し装置21を経由して抜き出し、骨材などの製品36として利用できる。
また、このように本実施例では、固化スラグを粉砕した流動媒体32に、流動化ガスである空気又は窒素ガスを供給して流動媒体32を流動化したものである。
本発明は、前記実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、流動化ガスは実施例に限定されず各種のガスを用いることができる。
１ 溶融スラグ熱回収装置
２ 流動層本体
２Ａ 流動層本体側板
２Ｂ 流動層底部粒子冷却抜き出し部側板
３ 流動層
４ スラグ溜め（溶融スラグ供給手段）
５ 連通路
６ スラグ滴下ノズル
６Ａ スラグ滴下ノズルガス吹き込み用ノズル
７ 流動層内伝熱管（熱交換器）
８ 底部分散板
９ ガスノズル（流動化ガス供給手段）
10 エアレーションノズル（流動化ガス供給手段）
11 抜き出し粒子冷却用熱交換器
12 冷却水供給手段
13 水蒸気あるいは温水回収路
14 排ガス煙道
15 煙道内伝熱管(熱交換器)
16 固化スラグ抜き出し装置（固化スラグ回収装置）
17 固化スラグ排出口
18 粉砕機（粉砕手段）
19 循環装置
20 流動媒体供給口
21 流動媒体抜き出し装置
31 溶融スラグ滴
32 流動媒体
33 流動媒体を取り込みつつ固化する半固化スラグ（固化物）
34 固化スラグ
35 製品(固化スラグ粉砕物)
36 製品(熱処理後流動媒体)
101 模擬スラグ(ワックス)
102 流動層
103 流動媒体
104 固化模擬スラグ(固化ワックス)
105 付着流動媒体
106 固化物(付着流動媒体を取り込んだ固化模擬スラグ)
107 流動化ガス
２ 流動層本体
２Ａ 流動層本体側板
２Ｂ 流動層底部粒子冷却抜き出し部側板
３ 流動層
４ スラグ溜め（溶融スラグ供給手段）
５ 連通路
６ スラグ滴下ノズル
６Ａ スラグ滴下ノズルガス吹き込み用ノズル
７ 流動層内伝熱管（熱交換器）
８ 底部分散板
９ ガスノズル（流動化ガス供給手段）
10 エアレーションノズル（流動化ガス供給手段）
11 抜き出し粒子冷却用熱交換器
12 冷却水供給手段
13 水蒸気あるいは温水回収路
14 排ガス煙道
15 煙道内伝熱管(熱交換器)
16 固化スラグ抜き出し装置（固化スラグ回収装置）
17 固化スラグ排出口
18 粉砕機（粉砕手段）
19 循環装置
20 流動媒体供給口
21 流動媒体抜き出し装置
31 溶融スラグ滴
32 流動媒体
33 流動媒体を取り込みつつ固化する半固化スラグ（固化物）
34 固化スラグ
35 製品(固化スラグ粉砕物)
36 製品(熱処理後流動媒体)
101 模擬スラグ(ワックス)
102 流動層
103 流動媒体
104 固化模擬スラグ(固化ワックス)
105 付着流動媒体
106 固化物(付着流動媒体を取り込んだ固化模擬スラグ)
107 流動化ガス
Claims (2)
- 装置本体内に設けられ固化スラグを粉砕した流動媒体を流動化した流動層と、この流動層に溶融スラグを供給する溶融スラグ供給手段と、前記流動層から熱を回収する熱交換器と、前記流動層内で前記溶融スラグが固化した固化スラグを回収する固化スラグ回収装置と、前記固化スラグ回収装置により回収した前記固化スラグを粉砕する粉砕手段と、この粉砕した固化スラグ粒子を前記流動層に返送する循環装置と、前記流動媒体の一部を抜き取る流動媒体抜き出し装置と、前記装置本体の上部に設けられ前記流動層より上方に位置する排ガス煙道とを備え、前記溶融スラグ供給手段は、前記流動層の上部に設置したスラグ溜めにスラグ滴下ノズルを設け、このスラグ滴下ノズルから溶融スラグ滴を前記流動層に滴下し、
前記循環装置は、前記流動層の上方に位置する流動媒体供給口から前記固化スラグ粒子を前記装置本体内に返送し、
前記熱交換器は、前記流動層の上部に設けられ該流動層内において前記流動媒体に接触する伝熱管と、前記装置本体の側板に設けられ側板熱交換器と、前記排ガス煙道内に設けられ前記排ガス煙道において排ガスと接触する伝熱管とを備えることを特徴とする溶融スラグ熱回収装置。 - 前記固化スラグを粉砕した流動媒体に、流動化ガスを供給して前記流動媒体を流動化することを特徴とする請求項１記載の溶融スラグ熱回収装置。
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- 2010-05-11 EP EP10774915.2A patent/EP2431697A4/en not_active Withdrawn
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